KR20080069767A - 질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 - Google Patents

질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 발광소자의 제조방법 Download PDF

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본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자는 기판, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 상기 기판, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층 중 하나 이상의 층의 측면에 미세요철(Roughness) 구조가 형성된다. 또한, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은 기판으로부터 버퍼층, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 형성되는 단계; 스크라이빙 공정 및 분리 공정이 처리되는 단계; 및 분리면을 포함하여 식각 공정이 처리됨으로써 미세요철 구조가 형성되는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 스크라이빙 공정 및 분리 공정을 거치면서 측면에 발생되는 손상(결함)의 영향을 최소화하여 전체 발광 효율을 극대화할 수 있으며, 단순한 공정을 통하여 미세요철 구조를 형성할 수 있고 저렴한 생산비용으로 고휘도의 질화물 반도체 발광소자를 양산할 수 있게 된다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법{Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof}
도 1은 탑(Top)방식의 스크라이빙(Scribing) 공정을 거친 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 측단면도.
도 2는 도 1에 도시된 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 스크라이빙된 면을 확대도시한 측단면도.
도 3은 바텀(Bottom)방식의 스크라이빙 공정을 거친 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 측단면도.
도 4는 도 3에 도시된 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 스크라이빙된 면을 확대도시한 측단면도.
도 5는 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 구조를 도시한 측단면도.
도 6은 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 스크라이빙된 면을 확대도시한 측단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100: 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자
110: 기판 112: 미세요철(Roughness) 구조
120: 버퍼층 130: n형 반도체층
140: 활성층 150: p형 반도체층
160: 투명전극층 170: n측 전극
180: p측 전극
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시켜 신호를 보내고 받는 데 사용되는 소자이다.
보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다. 이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.
상기와 같이 LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등 요구되는 휘도의 량도 갈수록 높아져서, 최근에는 고출력 발광 다이오드에 대한 개발이 활발히 진행 중이다.
특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5 족 화합물을 이용한 반도체광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있다. 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드갭을 가지고, 이를 이용한 밴드갭 엔지니어링은 하나의 반도체상에서 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
최근, 질화물 반도체를 이용한 청색 및 녹색 발광소자의 개발은 광디스플레이 시장에 일대 혁명을 몰고 왔으며, 앞으로도 고부가가치를 창출할 수 있는 유망 산업의 한 분야로 여겨지고 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 이러한 질화물 반도체광소자에 있어서 보다 많은 산업상의 이용을 추구하려면 발광휘도를 증가시키는 것이 선결되어야 할 과제이다.
도 1은 탑(Top)방식의 스크라이빙(Scribing) 공정을 거친 일반적인 질화물 반도체 발광소자(10)의 구조를 도시한 측단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 일반적인 질화물 반도체 발광소자(10)의 스크라이빙된 면을 확대도시한 측단면도이다.
그리고, 도 3은 바텀(Bottom)방식의 스크라이빙 공정을 거친 일반적인 질화물 반도체 발광소자(20)의 구조를 도시한 측단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 일반적인 질화물 반도체 발광소자(20)의 스크라이빙된 면을 확대도시한 측단면도이다.
도 1 및 도 3에 의하면, 일반적인 질화물 반도체 발광소자(10, 20)는, 사파이어 또는 SiC로 이루어지는 기판(11, 21), 저온의 성장 온도에서 가령, AlyGa1-yN층의 다결정 박막 구조로 성장되는 버퍼층(12, 22), Si(실리콘)이 도핑된 n형 반도체층(13, 23), 양자우물(MQW; Multiple Quantum Well) 구조로서 정공과 전자가 결합 됨으로써 광을 발생시키는 활성층(14, 24), Mg(마그네슘)이 도핑된 p형 반도체층(15, 25), 투명전극층(16, 26), p측 전극(17, 27) 및 n측 전극(18, 28)을 포함하여 이루어진다.
이러한 구조를 가지는 질화물 반도체 발광소자는 n형 반도체층(12)으로부터 탑(Top)형 레이저 스크라이빙 공정이 처리되거나, 기판(21)으로부터 바텀(Bottom)형 레이저 스크라이빙 공정이 처리되어 개별 소자로 분리되는데(도 1 및 도 3에 도시된 발광소자(10, 20)는 개별 소자로 분리된 형태를 도시한 것임), 쉽게 분리될 수 있도록 기판(11, 21) 저면이 연마되어 두께가 조정된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 탑형 스크라이빙 공정 또는 바텀형 스크라이빙 공정 시, 레이저가 조사되면서 스크라이빙 영역(A, C)이 손상된(Burnt) 모습(보통, 검게 그을린 형태를 띔)을 볼 수 있으며, 분리 영역(B, D) 역시 결함(Defect)이 발생된 것을 볼 수 있다.
상기 손상된 스크라이빙 영역(A, C)은 외부로 향하는 빛을 흡수하거나 차단하고, 결함이 발생된 분리 영역(B, D) 역시 빛을 투과시키거나 반사시키는데 장애적인 요소가 된다.
따라서, 일반적인 질화물 반도체 발광소자(10, 20)는 스크라이빙 공정 및 분리 공정을 거치면서 광휘도가 현저히 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 스크라이빙 공정 및 분리 공정을 거치면서 측면에 발생되는 손상(결함)의 영향을 최소화하여 전체 발광 효율이 극대화되는 질화물 반도체 발광소자 를 제공한다.
본 발명은 측면 구조를 개선하여 발광 휘도를 향상시킴에 있어서, 저렴한 생산비용으로, 용이하게 공정을 처리할 수 있는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자는 기판, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 상기 기판, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층 중 하나 이상의 층의 측면에 미세요철(Roughness) 구조가 형성된다.
본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은 기판으로부터 버퍼층, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 형성되는 단계; 스크라이빙 공정 및 분리 공정이 처리되는 단계; 및 분리면을 포함하여 식각 공정이 처리됨으로써 미세요철 구조가 형성되는 단계를 포함한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하는데, 이해의 편의를 위하여 질화물 반도체 발광소자의 구조 및 그 제조 방법을 함께 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자(100)의 구조를 도시한 측단면도이다.
상기 기판(110)은 사파이어, Si(실리콘), SiC(실리콘 카바이트), GaAs(갈륨 비소), ZnO(산화 아연) 또는 MgO(산화 마그네슘) 등의 원소 혹은 화합물로 제작될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 사파이어 기판이 사용되는 것으로 한다.
기판(110)은 저압으로 유지되는 유기금속 화학증착용 반응관내에 구비된 서셉터(susceptor)상에 고정되고, 상기 반응관내의 공기가 충분히 제거되면, 수소 가스의 공급을 유지시키면서 약 1090℃의 온도로 10분 정도 가열하여 그 표면상의 산화막을 제거시킨다.
이후, 기판(110)의 온도를 약 525℃까지 낮추고 반응관으로 분당 8리터 유량의 수소 가스 및 동일한 유량의 암모니아 가스를 공급하여 기판(110)의 온도가 약 520℃로 안정될 수 있도록 한다.
이어서, 분당 3×105 몰의 트리메틸 갈륨(TMGa)(또는 TEGa)(트리메틸 인듐(TMIn), 트리메틸 알루미늄(TMAl) 등의 성분이 함께 주입될 수 있음)을 암모니아 가스와 함께 반응관 내부로 주입시킴으로써 버퍼층(120)을 100 ∼ 2000 Å의 두께로 성장시킨다.
상기 버퍼층(120)은 기판(110)의 화학적 작용에 의한 멜트백(melt-back) 에칭을 방지하는 등, 기판(110)과 n형 반도체층(130) 사이의 스트레스를 완화하는 기능을 수행하며, AlInN/GaN 구조, InxGa1-xN/GaN 구조, AlxInyGa1-x-yN/InxGa1-xN/GaN 구조 등의 멀티버퍼층으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(120)이 형성되면, n형 반도체층(130)이 형성된다.
상기 n형 반도체층(130)은 구동전압을 낮추기 위하여 실리콘 도핑된 n-GaN층 으로 형성될 수 있으며, 가령, NH3(3.7×10-2 몰/분), TMGa(1.2×10-4 몰/분) 및 Si와 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스(6.3×10-9 몰/분)를 공급하여 성장될 수 있다.
이상과 같이 하여, n형 반도체층(160)이 형성되면 가령 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 공법을 이용하여 InGaN/GaN으로 구성된 다중양자우물(Multi-Quantum Well : MQW) 구조를 가지는 활성층(140)이 형성된다.
상기 활성층(110)에서는, p형 반도체층(150)을 통하여 흐르는 정공과 n형 반도체층(130)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 광이 발생되는데, 이때 양자 우물의 여기 준위 또는 에너지 밴드갭 차이에 해당되는 에너지의 빛이 발광된다.
이어서, p형 반도체층(150)이 형성되며, 상기 p형 반도체층(150)은 수소를 캐리어 가스로 하여 1000℃로 분위기 온도를 높여 TMGa(7×10-6 몰/분), 트리메틸알루미늄(TMAl)(2.6×10-5 몰/분), 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}(5.2×10-7 몰/분), 및 NH3(2.2×10-1 몰/분)을 공급하여 성장된다.
이어서, 950℃의 온도에서 예컨대, 5분 동안 열어닐링 처리를 하여 p형 반도체층(150)의 정공 농도가 최대가 되도록 조정하며, p형 반도체층(150) 위에 투명전극층(160)이 형성된다.
상기 투명전극층(160)은 전극접촉층의 일종으로서, p측 전극(180)으로 전류가 잘 전달될 수 있도록 하는데, 예를 들어 ITO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등의 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같이 기판(110)부터 투명전극층(160)까지의 기본 적층 구조가 완성되면, 표면으로부터 습식 에칭, 예를 들어 이방성 습식에칭을 실행하여, n형 반도체층(130)의 일부를 노출시킨다.
에칭 공정이 진행된 후, n형 반도체층(130) 위로 티탄(Ti), 은(Au) 등으로 이루어진 n측 전극(170)이 증착되고, 투명전극층(160) 위로 니켈(Ni) 등으로 이루어진 p측 전극(180)이 증착된다.
이어서, 스크라이빙 공정이 처리되는데, 상기 스크라이빙 공정은 레이저 조사 장치를 이용하여 수행되며, 레이저가 n형 반도체층(130) 측으로부터 조사되거나(탑형 스크라이빙 공정인 경우; 도 1참조) 기판(110) 측으로부터 조사되어(바텀형 스크라이빙 공정인 경우; 도 3참조) 스크라이빙 영역이 형성된다.
이후, 기판(110)의 저면이 소정 두께로 연마되고, 스크라이빙 영역을 기준으로 분리(Breaking) 공정이 처리되는데, 도 5에 도시된 질화물 반도체 소자(100)는 분리 공정을 거친 후의 형태(즉, 개별 소자로 분리된 형태)를 도시한 것이다.
즉, 외부로부터 물리적인 힘이 가해지면 스크라이빙 영역에 의하여 힘이 기판(110)측(탑형 스크라이빙 공정인 경우)으로 가이드되거나 n형 반도체층(130)(바텀형 스크라이빙 공정인 경우)으로 가이드되어 개별 소자로 분리될 수 있다.
상기 연마 공정은 외부로부터 힘이 가해지는 경우 질화물 반도체 발광소 자(100)가 용이하게 분리되도록 그 두께를 조정하는 것으로서, 가령 래핑(Lapping) 공정 또는 폴리싱(Polishing) 공정 등이 사용될 수 있다.
상기 래핑 공정이란 상기 기판(110)을 중간정도의 입도(∼1,000∼1,200번)로 연마하는 것으로서 상기 입도 이상이 되면 폴리싱 공정으로 분리되며, 연마재로는 카보란담이나 알루미나가 사용된다.
그리고, 상기 폴리싱 공정은, 알루미나를 물에 녹인 연마재를 사용하고, 연마포를 씌운 회전판 위에 적하하면서 연마된다. 상기 폴리싱 공정은 기계적 연마 방식, 화학적 연마 방식 그리고 화학/기계적 연마 방식이 있다.
일반적으로, 상기 래핑 공정 및 폴리싱 공정 상에서 상기 기판(110)은 10㎛ 내지 12㎛ 입경의 연마재로 가공된다.
또한, 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자는, 전체 두께가 80μm 내지 160μm의 두께를 가지도록 종래보다 두껍게 연마되는 것이 좋다.
이어서, 식각(에칭) 공정이 진행되어 질화물 반도체 발광소자(100)의 측면에 미세요철(Roughness) 구조(112; 도 5 및 도 6 참조)가 형성되도록 하는데, 상기 미세요철 구조(112)는 적어도 스크라이빙 영역을 포함하여 전체 층(110 내지 180)에 걸쳐 형성될 수 있다.
상기 식각 공정으로는 건식 식각(Dry etching), 습식 식각(Wet etching) 그리고, 이온 충격에 의한 물리적(기계적) 식각, 플라즈마 속에서 발생된 반응 물질에 의한 화학적 식각 기술 등이 이용될 수 있다.
상기 미세요철 구조(112)를 형성하기 위하여, 식각 공정은 예를 들어, HPO와 H2SO4의 3:1 비율 조건, 250℃ 내지 350℃의 온도 조건, 1분 내지 120분의 시간 조건(약 70분 정도가 좋음) 등을 만족하여 처리될 수 있다.
도 6은 본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자(100)의 스크라이빙된 면을 확대도시한 측단면도이다.
도 6을 참조하면, (a) 도면과 (b) 도면에 확대 비율을 달리하여 촬영된 미세요철 구조(112)를 볼 수 있는데, 우선 도 2 및 도 4와 비교하면 레이저 스크라이빙 공정시 레이저에 의하여 손상된 영역(A, C; "burnt 영역"이라고도 하며, 검게 그을린 형태를 가짐)이 식각 공정을 통하여 제거된 것을 알 수 있다.
또한, 분리 공정 상에서 결함 영역(B, D; "Defect 영역"이라고도 하며, 점/선의 형태를 가짐)이 발생될 수 있으며, 식각 공정시 결함 영역(B, D)은 식각처리되고, 결함이 없는 영역은 식각처리되지 않음으로써(즉, 식각이 선택적으로 처리됨으로써) 전체면이 평탄화된 뒤 미세요철 구조(112)가 형성되게 된다.
도 6을 보면, 미세 요철 구조(112)가 결함 영역(B, D)에 대응되게 형성된 형태를 확인할 수 있다.
본 발명에 의한 미세요철 구조(112)에 의하면, 난반사 현상을 이용하여 활성층(140)으로부터 발생된 빛(점광원으로 표시됨)의 투과 영역과 반사 영역이 동시에 확대되므로 전체 휘도를 극대화시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 스크라이빙된 면의 손상(Burnt) 영역과 분리 영역의 결함(Defect) 영역에 미세요철(Roughness) 구조를 형성함으로써 빛의 반사 영역 및 투과 영역을 넓게 형성할 수 있고, 따라서 외부로 방출되는 빛의 양이 많아지므로 발광 휘도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의한 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 종래 스크라이빙 공정 및 분리 공정과는 무관하게 측면 개선 공정을 처리함으로써, 단순한 공정을 통하여 미세요철 구조를 형성할 수 있고 저렴한 생산비용으로 고휘도의 질화물 반도체 발광소자를 양산할 수 있게 된다.

Claims (3)

  1. 기판, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광소자에 있어서,
    상기 기판, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층 중 하나 이상의 층의 측면에 미세요철(Roughness) 구조가 형성된 질화물 반도체 발광소자.
  2. 기판으로부터 버퍼층, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 형성되는 단계;
    스크라이빙 공정 및 분리 공정이 처리되는 단계; 및
    분리면을 포함하여 식각 공정이 처리됨으로써 미세요철 구조가 형성되는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 미세요철 구조가 형성되는 단계는
    HPO와 H2SO4의 3:1 비율 조건, 250℃ 내지 350℃의 온도 조건, 1분 내지 120분의 시간 조건 중 하나 이상의 조건을 만족하여 상기 식각 공정이 처리되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104576864A (zh) * 2013-10-25 2015-04-29 广东德力光电有限公司 一种新型出光结构的GaN基发光二极管及其制作方法

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